本論文主要之目的在設計一直流無刷線性管狀馬達。其設計流程先以基本磁路理論計算出管狀線性馬達的特性，再依據所應用方面之需求去定義規格及基本尺寸，並以美商Ansoft公司之Maxwell EM 2D分析軟體加以驗證所計算的結果，最後依其最終之最佳設計的尺寸及規格實作一直流無刷線性管狀馬達。此外，本論文提出一種設計方法，利用定子鐵心兩側嵌入兩組軸對稱的尼龍(Nylon)製之線性軸承，以降低原有動子作動時與支撐裝置所產生的摩擦力與頓轉力(Cogging thrust)，達到線性管狀馬達高效率且直驅的實現。除了理論分析與模擬驗證外，本論文亦提供實驗控制結果。

The purpose of this paper is to design a linear tubular brushless DC motor. The motor dimensions are determined based on the required rating. A set of magnetic circuit models are used to calculate the basic motor characteristics and the design which has the application is selected. The static and dynamic performance of the designed motor are calculated and verified with a finite element software. Besides, the paper advance a design method, bracing to used linear bearing that made of Nylon to reduce friction and cogging thrust force. A prototype motor and driver is built to verify the performance of the motor experimentally.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	II
誌  謝	III
目  錄	IV
圖目錄	VI
表目錄	IX
符號說明	X
第一章  緒論	         1
1.1   背景與目的	         1
1.2   文獻回顧	         3
1.3   論文大綱	         7

第二章  管狀線性馬達簡介	8
2.1   磁路模型與材料特性	8
2.2   管狀線性馬達的結構	14
2.3   三相繞組排列方法	18
2.4   推力分析	         19

第三章  磁路設計	         23
3.1   馬達規格分析	         23
3.2   主要尺寸設計 	26
3.3   極數、槽數與相數	29
3.4   磁鐵尺寸設計	         31
3.5   等效磁路分析 	33
3.6   定子細部尺寸	         36

第四章  電氣設計	         39
4.1   繞線方式與限制	39
4.2   電流、匝數設計	40
4.3   效率分析	         44

第五章  有限元素分析	47
5.1   分析工具軟體介紹	47
5.2   模擬分析流程 	48
5.3   二維靜磁場結果與分析	52
5.4   二維動態分析	         54
5.5   結果與討論	         56

第六章  實驗系統與結果	57
6.1   馬達特性量測	         57
6.2   實驗系統說明	         61
6.3   控制系統	         62
6.4   實驗結果	         64

第七章  結論與建議	         67
7.1   結論與討論	         67
7.2   未來工作	         67

附錄一  Maxwell動態分析參數	68
參考文獻	                  69


圖目錄

圖1.1  運動方式結構圖	                            4
圖1.2  動子與定子長度結構	                            4
圖1.3  永久磁鐵在不同充磁方式之排列	                   6
圖2.1  鐵芯模型圖	                                     9
圖2.2  磁路與電路關係圖	                           10
圖2.3  鐵磁性材料磁化曲線	                           12
圖2.4  永久磁鐵工作曲線	                           13
圖2.5  永久磁鐵之磁路模型	                           14
圖2.6  管狀線性結構分析	                           15
圖2.7  徑向磁通管狀線性馬達示意圖	                  16
圖2.8  軸向磁通管狀線性馬達示意圖	                  16
圖2.9  管型鐵材與磁鐵剖面示意圖	                  17
圖2.10 有凸極結構管型鐵材與磁鐵剖面示意圖	         17
圖2.11 推力與磁鐵位置關係圖	                           17
圖2.12 激磁方向與磁鐵極性示意圖	                  18
圖2.13 線圈集中繞組剖面結構圖	                  19
圖2.14 線圈分佈繞組剖面結構圖	                  19
圖2.15 管狀線性馬達磁通圖	                           20
圖2.16 管狀線性馬達磁路圖	                           21
圖2.17 簡化後等效磁路圖	                           21
圖3.1  管狀線性馬達設計流程	                           24
圖3.2  晶圓被挾持於晶圓搬運機上	                  25
圖3.3  晶圓搬運機作用力自由體圖	                  25
圖3.4  位置與時間相對圖	                           26
圖3.5  管狀線性馬達展開圖	                           27
圖3.6  磁鐵之工作點	                           31
圖3.7  等效磁路圖	                                    34
圖3.8  馬達整體尺寸符號	                           36
圖3.9  ME1純鐵之BH曲線	                           36
圖4.1  繞組分佈圖	                                    38
圖4.2  槽形示意圖	                                    41
圖4.3  激磁方式示意圖	                           42
圖4.4  單一線圈平均繞線長度示意圖	                  43
圖4.5  馬達損失示意圖	                           44
圖4.6  管狀線性馬達整體3D結構圖	                  45
圖5.1  Maxwell磁路模擬流程圖	                  47
圖5.2  繪製於Maxwell軟體之馬達模型	                  48
圖5.3  ME1純鐵之BH曲線	                           48
圖5.4  永久磁鐵於Maxwell軟體的設定	                  49
圖5.5  解析器設定	                                    50
圖5.6  求解流程圖	                                    51
圖5.7  馬達剖面展開圖	                           52
圖5.8  氣隙磁通密度分佈圖	                           53
圖5.9  定子與動子鐵芯磁通密度分佈圖         	         53
圖5.10 動態分析電路	                           54
圖5.11  FEA計算之馬達推力平均值	                  55
圖6.1  推力常數量測示意圖	                           57
圖6.2  驅動器效率量測示意圖	                           58
圖6.3  不同輸入電流與驅動器效率關係圖	         58
圖6.4  三相反電動勢	                           59
圖6.5  硬體控制架構圖	                           60
圖6.6  馬達驅動器示意圖	                           60
圖6.7  實驗系統照片	                           61
圖6.8  控制系統架構圖	                           62
圖6.9  程式流程圖	                                    63
圖6.10 電流命令1A，速度1m/sec時A相的電流響應圖	63
圖6.11 速度1m/sec時各相電流命令關係圖	         64
圖6.12 理想換相訊號示意圖	                           64


表目錄
 
表1.1 各類驅動裝置效益比較	          3
表1.2 有、無齒槽結構之特色性能表現	 5
表1.3 馬達基本規格數據表	          7
表2.1 等效磁路與等效電路對應關係	11
表3.1 馬達幾何尺寸參數表	         27
表3.2 各類磁鐵之優缺點	         28
表3.3 直流無刷馬達相數比較表	30
表3.4 管狀線性馬達額定與相關數據表	30
表3.5 馬達定子細部尺寸參數表	37
表4.1 銅線型式	                  40
表6.1 實際馬達額定數據表	         59

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